iGMR原理下的TLE5012B角度传感器应用详解

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"基于iGMR原理角度传感器TLE5012B应用指南深入解析了这种创新型传感器在工业和汽车领域的应用潜力。TLE5012B是一款采用iGMR（巨磁阻）技术的高精度角度传感器，它利用巨磁阻效应来测量磁场方向的变化，进而确定物体的角度位置。iGMR技术的核心在于其磁阻材料，如Fe/Cr和Co/Cu的多层结构，其中自由层的磁化方向会随外部磁场变化，导致电阻率差异，从而反映磁场角度。 TLE5012B内部设计巧妙，集成了角度计算模块，能够直接输出绝对角度数据，具有15位的高分辨率，这意味着它可以提供极高的测量精度。该传感器还内置自动标定和温度补偿功能，确保在宽广的温度范围内（-40~150℃）保持1°的稳定精度，满足汽车级严苛的标准。它的快速信号处理能力和低延时更新率使其特别适用于动态环境中，如汽车方向盘、电机位置监控等场景。巨磁阻原理的应用使得TLE5012B具有卓越的诊断功能和安全性，这不仅提高了产品的可靠性，也降低了潜在故障对系统的影响。通过监测自由层与参考层之间的磁化方向差异，传感器能够实时反馈准确的角度读数，对于工业自动化和精密机械控制来说，这是一个至关重要的元件。本文详尽阐述了iGMR技术在TLE5012B中的具体实现，包括其工作原理、性能特点以及在实际应用中的优势，为工程师们在选择和使用此类角度传感器时提供了宝贵的参考和指导。"

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本文介绍了基于iGMR原理角度传感器TLE5012B应用指南

1 TLE5012B简介

TLE5012B角度传感器基于iGMR技术，可检测平行于封装表面磁场的360°变化，应用于汽车和工业领域转角位置检测，如方

向盘转角、电机位置等。

TLE5012B内部集成角度计算模块，可以将原始值（sine和cosine）进行数字处理后输出绝对角度，其内部集成自动标定和温

度补偿功能，在温度范围和寿命周期里可以达到1°精度，符合汽车级认证，可工作在-40～150 ℃范围。

TLE5012B具备极其精确的角度分辨率(15 bit)以及快速的信号处理能力和较短的延时/更新率，适合精确测定高动态应用中的

转子位置,同时TLE5012B具有先进的诊断功能及安全特性,确保了产品的高可靠性。

1.1 iGMR原理

所谓磁阻效应是指导体或半导体在磁场作用下其电阻值发生变化的现象，巨磁阻效应在1988年由彼得·格林贝格（Peter

Grünberg）和艾尔伯·费尔（Albert Fert）分别独立发现，他们因此共同获得2007年诺贝尔物理学奖。研究发现，在磁性多层

膜如Fe/Cr和Co/Cu中，铁磁性层被纳米级厚度的非磁性材料分隔开来。在特定条件下，电阻率减小的幅度相当大，比通常磁

性金属与合金材料的磁电阻值高10余倍，这一现象称为“巨磁阻效应”。

图1 巨磁阻磁性感应层结构

如图1所示，基于巨磁阻效应的传感器其感应材料主要有3层：参考层(RL)、普通层(NML)和自由层(FL)。参考层具有固定磁化

方向，其方向不会受到外界磁场方向影响;普通层为非磁性材料薄膜层，将两层磁性材料薄膜层分隔开;自由层磁场方向随着外

界平行磁场方向的改变而改变。

巨磁阻阻值由自由层和参考层之间磁场方向夹角决定，当自由层磁化方向和参考层磁化方向相同时，巨磁阻阻值最小。反之，

当自由层磁化方向和参考层磁化方向相反时，巨磁阻阻值最大。

巨磁阻效应可以用量子力学解释,每一个电子都能够自旋,电子的散射率取决于自旋方向和磁性材料的磁化方向。若自旋方向和

磁性材料磁化方向相同，则电子散射率低，穿过磁性层的电子较多，从而呈现低阻抗。反之，若自旋方向和磁性材料磁化方向

相反，则电子散射率高，穿过磁性层的电子较少，从而呈现高阻抗。

1.2 iGMR角度检测原理

图2所示为巨磁阻角度传感器感应单元结构，由两组惠斯通电桥构成，分别为反映外界磁场余弦变化的VX巨磁阻感应单元和反

映外界磁场正弦变化的VY巨磁阻感应单元。VX和VY 巨磁阻感应单元结构类似，只是参考层磁化方向不同。使用全桥结构的

好处是，可以获得两倍信号幅值以及消除温度效应影响。

图2 巨磁阻惠斯通桥

当安装在转轴上的磁铁随着转轴旋转时，巨磁阻感应单元VX和VY能够检测出平行于其表面的外界磁场变化，并分别输出余弦

和正弦信号。磁场信号经过A/D转换，通过传感器内部 CORDIC（COordinate Rotation DIgital Computer)模块进行反正切计

算，得到所需要角度值，最后通过不同信号协议输出角度等信息。

2 通信协议

TLE5012B支持多种通信协议，即SSC(Synchronous Serial Communication)协议、PWM(PulseWidthModulation）协议、

SPC（ShortPWMCode、兼容SENT协议）协议、HSM（Hall Switch Mode）模式以及IIF（Incremental Interface）协议。

TLE5012B SSC为三线制协议，允许双向通信,兼容SPI协议，可以通过SSC协议读取TLE5012B内部寄存器数据（如角速度、

角度原始数值、温度等）以及配置寄存器（如解析度、自动标定、工作模式等）。SSC允许高速数据传输，波特率为8

Mb/s。一个总线上最多允许4个TLE5012B进行通信。SSC通信距离较短，建议在30 cm以内，所以适合板间通信。

图3 MCU读取角度信息

PWM通信协议为单向通信方式，解析度为12 bit，有4种工作频率0.2 kHz、0.5 kHz、1 kHz以及2 kHz，可通过SSC接口配置

工作频率。占空比代表角度信息，其中占空比在0～6.25%以及93.75～100%区间用于诊断,在6.25～93.75%区间代表角度。

PWM通信距离可到5 m。

SPC协议兼容SENT协议，连续的两个下降沿之间的时间长度代表4 bit数据。不同的是SPC允许双向通信，且通信时MCU需要

给TLE5012B发送一个触发信号以唤醒其传输角度信息。除角度信息外，还可传输温度信息,可通过SSC接口配置解析度为12

bit或者16 bit。一个总线上最多允许4个TLE5012B进行通信。SPC通信距离可到5 m。

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